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Der Ursprung des Universums für Dummies

Inhaltsverzeichnis






































































































































































































































































































































Danksagungen der Autoren

Von Stephen Pincock: Während ich dieses Buch schrieb, habe ich mich auf die lebensnotwendige Unterstützung meiner wunderbaren Familie verlassen können, und ich möchte allen sehr dafür danken, dass sie es in all dieser Zeit ertragen haben, dass ich, statt mich um sie zu kümmern, nicht viel anderes getan habe als bloß geschrieben und geschrieben.

 

Ich bin auch sehr froh, bei diesem Projekt mit dem Team von Wiley zusammengearbeitet zu haben, insbesondere mit Rachael, deren Ermutigung manchmal das Einzige war, dass ich die Arbeit zu Ende bringen konnte. Mein Dank gilt auch dem Herausgeberteam, besonders Brian für sein bemerkenswertes Talent, aus meinen unverständlichen Texten leuchtende Sätze zu schnitzen!

Mein Dank gilt schließlich Mark, dessen Talent und Kenntnisreichtum scheinbar keine Grenzen kennt.

 

Von Mark Frary: Mein Dank geht an meine Familie und meine Freunde, insbesondere an Clare, Margaret, Graham, Mama und Papa, die mir die Muße gegeben haben, dieses Buch zu schreiben, und denen es nicht allzu viel ausmachte, dass ich viele Abende und Wochenenden mit arbeiten verbrachte, statt mich um sie zu kümmern. Mein Dank geht auch an meinen Koautor Stephen Pincock, der mir unermüdlich Hilfe gewährt hat und mir eine riesige Menge Vorschläge gemacht hat, die das Buch beträchtlich verbessert haben.

 

Ich danke Jason Dunne, Rachael Chilvers und dem restlichen Team von Wiley, dass sie diesem Projekt grünes Licht gegeben haben, und für ihre Ermutigungen und Vorschläge während des Entstehens dieses Buches.

Über die Autoren

Stephen Pincock schreibt seit 15 Jahren über wissenschaftliche Themen, nachdem er an der Universität von New South Wales einen akademischen Grad in Mikrobiologie erworben hatte und dabei herausfand, dass die ganze Wissenschaft so ungeheuer faszinierend ist, als dass man für den Rest des Lebens nur durchs Mikroskop schauen sollte.

 

Stephen schreibt zurzeit regelmäßig wissenschaftliche Beiträge für The Financial Times, The Lancet und viele weitere Veröffentlichungen. Er ist internationaler Korrespondent der Zeitschrift The Scientist. Eine Zeit lang war er Herausgeber von Reuters Health.

 

Mark Frary schreibt über wissenschaftliche und technologische Themen. Er studierte Astronomie und Physik am University College London und schrieb eine Doktorarbeit über die Erzeugung von Positronium. Gleichzeitig arbeitete er am Mullard Space Science Laboratory über atmosphärische Plasmaphysik. Nach seinem Universitätsabschluss ging er nach Genf, um am OPAL-Experiment des Europäischen Teilchenphysik-Labors CERN mitzuarbeiten.

 

Mark war Koautor des Buches You Call This The Future?, eine Untersuchung der 50 besten erfundenen Sciencefiction-Apparate, und auf welche Weise sie Realität geworden sind. Er lebt mit seiner Frau und zwei Kindern in Ampthill, Bedfordshire.

 

Mark Frary und Stephen Pincock haben gemeinsam das Buch Codebreaker: The History of Secret Communication geschrieben.

Widmung

In Liebe für Amanda, Daniel und Emily.

SP

In Liebe für Clare, Lola und Seth.

MF

A

Wie man wissenschaftliche Einheiten und Gleichungen verstehen kann

Um etwas von der Mathematik in diesem Buch zu verstehen, braucht man einige einfache Grundbegriffe, die Mathematiker (und Kosmologen) verwenden, wenn sie Zahlen und Gleichungen hinschreiben.

Exponenten

Da Wissenschaftler oft mit sehr großen und sehr kleinen Zahlen umgehen müssen, haben sie eine praktische Form von Kurzschrift für solche Zahlen erfunden.

 

Im Mathematikunterricht ist Ihnen vielleicht der Begriff des Quadrierens einer Zahl begegnet. »2 zum Quadrat« ist das Gleiche wie 2 multipliziert mit 2. Mathematiker schreiben das als 22. Sie mögen auch etwas über eine Zahl hoch 3 gehört haben. Beispielsweise ist 2 hoch 3, 23, das Gleiche wie 2 mal 2 mal 2, also 8.

 

Wissenschaftler und Mathematiker machen hier nicht halt. Man kann eine Zahl, so oft man will, mit sich selbst multiplizieren. Wissenschaftler und Mathematiker verwenden den Begriff »hoch x«, oder auch »Exponent x«, wobei x angibt, wie oft eine Zahl mit sich selbst multipliziert wird. Also ist 2 hoch 10, geschrieben 210, nichts anderes als 2, zehnmal mit sich selbst multipliziert.

i0276.jpgExponenten sind nützlich, wenn man sehr große Zahlen ausdrücken will. 100 ist das Gleiche wie 10 zum Quadrat oder 102. In gleicher Weise ist 1.000 nichts anderes als 103, 10.000 ist 104, 100.000 ist 105 und 1.000.000 ist 106. Wenn die Zahlenwerte von im Text behandelten Dingen eigentlich mit 20 oder 30 Nullen hingeschrieben werden müssten, ist die Verwendung von Exponenten wesentlich einfacher. Statt 1.000.000.000.000.000.000.000 hinzuschreiben, kann man einfach 1021 schreiben.

In diesem Buch findet man Zahlen, die beispielsweise wie folgt hingeschrieben wurden: 1,3 × 1021. Diese Schreibweise nennt man wissenschaftliche Notation und sie funktioniert folgendermaßen: Wir wissen, wie 1021 aussieht, und wir multiplizieren diese Zahl einfach mit 1,3 und erhalten als Ergebnis 1.300.000.000.000.000.000.000. Die Zahl vor dem Multiplikationszeichen kann so viele Dezimalstellen haben, wie man möchte.

 

Eine ähnliche Notation, die negative Zahlen verwendet, wird für wirklich kleine Bruchteile benutzt. Ein Halb, ½, kann auch als 2 hoch – 1 oder 2 – 1 geschrieben werden. In gleicher Weise kann man sich ein Viertel als 1, geteilt durch 2 zum Quadrat vorstellen, also 2 – 2.

Das Gleiche gilt für Exponenten von 10. 10 – 2 bedeutet 1 geteilt durch 10 zum Quadrat. 10 – 3 bedeutet 1 geteilt durch 10 hoch 3. Man kann deshalb jede sehr kleine Zahl mit dessen negativen Exponenten von 10 schreiben. 1,3 × 10 – 21 ist somit das Gleiche wie 1,3 mal 1 geteilt durch 1.000.000.000.000.000.000.000 oder 0,0000000000000000000013.

Andere mathematische Schreibweisen

Wissenschaftler lassen gerne das Multiplikationszeichen in Gleichungen und Formeln weg, einmal, weil sie Sachen gern schnell hinschreiben, aber auch, weil es dadurch nicht zu einer Verwechslung des Malzeichens mit dem Buchstaben x kommen kann, der oft für die Bezeichnung einer Entfernung oder einer unbekannten Größe verwendet wird.

 

Beispielsweise wird Einsteins Gleichung E = mc2 geschrieben – man beachte, dass der alte Einstein auf der rechten Seite das Multiplikationszeichen zwischen dem m und dem c unterschlagen hat.

 

In diesem Buch – und ganz allgemein in der Wissenschaft – werden in mathematischen Gleichungen die Buchstaben, die für veränderliche Größen verwendet werden, kursiv geschrieben, während Buchstaben für feststehende Größen (die auch als Konstanten bezeichnet werden) mit normalen Buchstaben geschrieben werden. Beispielsweise wird die obige Gleichung E = mc2 auf diese Weise geschrieben, weil die Energie und die Masse, je nach dem betrachteten Teilchen, sich ändern können, wohingegen die Lichtgeschwindigkeit c einen festen Zahlenwert hat, also eine Konstante ist.

 

Die Symbole, die wir für wissenschaftliche Einheiten verwenden (siehe den folgenden Abschnitt) werden ebenfalls mit normalen Buchstaben geschrieben. In Gleichungen bezeichnet der Buchstabe m beispielsweise das Meter und der Buchstabe s die Sekunde.

Wissenschaftliche Einheiten

i0277.jpgDer Begriff Einheiten bezieht sich darauf, wie Dinge gemessen werden. Zentimeter, Meter, Zoll, Fuß, Kilogramm, Pfund, Unzen und Sekunden – das sind alles Beispiele für Einheiten, die im täglichen Leben benutzt werden.

i0278.jpgHeutige Wissenschaftler verwenden ein System von Einheiten, das als SI, oder Système International (was auf Französisch »Internationales System« bedeutet) bezeichnet wird. SI basiert auf dem metrischen System, das seine Wurzeln in der Französischen Revolution hat. 1799 wurden zwei aus Platin hergestellte Teile in den Archives de la République in Paris deponiert. Eines hatte eine Länge von 1 Meter, das andere wog 1 Kilogramm. Vor dieser Zeit hatte buchstäblich jeder Mensch eine unterschiedliche Vorstellung davon, wie lang ein Meter oder wie schwer ein Kilogramm war. Aber von diesem Tage des Jahres 1799 an konnte man sich auf diese Standardmaße von Länge und Gewicht beziehen und sicher sein, dass jeder von der gleichen Sache sprach.

Seit dieser Zeit hat sich SI in die universelle Sprache der Wissenschaftler, Ingenieure und Mathematiker entwickelt. Zusammen mit dem Meter und dem Kilogramm enthält dieses System noch fünf weitere Maßeinheiten: die Sekunde (Zeitmaß), das Ampère (Maß für den elektrischen Strom), das Kelvin (Temperaturmaß), das Mol (Maß für die Menge einer Substanz) und die Candela (Beleuchtungsstärke).

 

Wir verwenden nicht alle dieser Größen in diesem Buch, aber es ist nützlich, sie zu kennen. Im Folgenden betrachten wir, wie die Einheiten, die in diesem Buch verwendet werden, definiert sind.

Das Meter

Der in Paris aufbewahrte Platinstab, der zur Definition des Meters verwendet wird, sollte der zehnmillionste Teil der Strecke sein, die vom Äquator zum Nordpol geht, und zwar genau durch Paris (mais oui!). Weil Wissenschaftler heute wissen, dass sich die Größe der Erde durch geologische Prozesse ändert und sie auch nicht mit lokalpolitischen Vorstellungen in Verbindung gebracht werden wollen, haben sie die Definition des Meters, basierend auf der Länge des Platinstabes, aufgegeben.

 

Das Meter wird heutzutage definiert als die Länge des Weges, den Licht während eines Zeitraums von 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Da die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum konstant ist, legt diese Definition die Länge eines Meters eindeutig fest.

Das Kilogramm

Anders als beim Meter beziehen sich die Wissenschaftler bei der Definition des Kilogramms heute noch auf einen Platinblock (vermischt mit einer Spur des Metalls Iridium). Der heute verwendete Metallblock wurde in den 1880er Jahren hergestellt und wird in einer kontrollierten Umgebung beim Internationalen Büro für Maße und Gewichte (nach der französischen Bezeichnung als BIPM abgekürzt), der Organisation, die für die Bewahrung und Weiterentwicklung des SI verantwortlich ist, aufbewahrt.

Die Sekunde

Es erscheint reizvoll, die Sekunde mittels der Lichtgeschwindigkeit zu definieren, aber ein solches Vorgehen würde zu ernsthaften Zirkelschlüssen führen. Stattdessen verwendet man zur Definition der Sekunde Atome des chemischen Elements Caesium-133.

 

Wie wir in Kapitel 9 erwähnen, können Atome Photonen bestimmter Frequenzen absorbieren und emittieren, und Caesium-133 bildet keine Ausnahme. Folglich ist die Sekunde definiert als die Zeit, die während 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung zwischen zwei bestimmten Energieniveaus des Caesium-133-Atoms vergeht.

Das Kelvin

Obwohl im täglichen Leben Temperaturen in Celsius (in USA in Fahrenheit) angegeben werden, bevorzugen Wissenschaftler eine Maßeinheit, die als Kelvin bezeichnet und mit dem Symbol K abgekürzt wird.

 

Das BIPM definiert das Kelvin als den 273,16ten Teil der Temperatur, bei dem Wasser bei einem bestimmten Druck gleichzeitig als Eis, flüssiges Wasser und Wasserdampf existieren kann.

 

Die Temperatur von null Kelvin (0 K) wird oft als der absolute Nullpunkt bezeichnet. Die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung besitzt eine Temperatur von 2,73 Kelvin, die also sehr nahe beim absoluten Nullpunkt liegt. Es ist jedoch praktisch unmöglich, eine Temperatur von 0 K zu erreichen, weil ein heruntergekühltes Objekt sich ständig durch die Temperatur seiner Umgebung erwärmen würde.

Nicht-SI-Einheiten

SI-Einheiten sind sehr nützlich für Wissenschaftler, die verschiedene Sprachen benutzen, um Informationen auszutauschen. Bei Anwendung auf die Weiten des Weltalls werden sie allerdings rasch ziemlich unhandlich, weil dann große Zahlen auftreten. Deshalb verwenden Astronomen und Kosmologen oft Spezialeinheiten, um Winkel, Längen und Energien zu messen.

Winkel

Sie wissen vielleicht noch aus Ihrer Schulzeit, dass ein Kreis 360 Grad umfasst. Für das tägliche Leben verwendet man üblicherweise nur Grad. Beispielsweise hat ein rechter Winkel 90 Grad, und die Regierungspolitik macht manchmal eine 180-Grad-Kehrtwendung.

 

Winkel sind in der Astronomie und Kosmologie sehr wichtig. Weil alles außerhalb des Sonnensystems so weit entfernt ist, kann man für viele Zwecke annehmen, dass die Sterne und Galaxien auf einem riesigen Globus befestigt sind – der Himmelskugel.

i0279.jpgAstronomen beschreiben die Position von Sternen auf der Himmelskugel mit Hilfe eines Winkels und einer Zeitangabe. Den Winkel bezeichnet man als Deklination, das ist der Winkel zwischen dem Stern und dem Himmelsäquator. (Der Himmelsäquator auf der Himmelskugel entspricht dem Erdäquator auf der Erdkugel – der Stern kann sich über oder unter dem Himmelsäquator befinden, so wie Orte auch südlich des Erdäquators liegen.) Die Zeit wird als Rektaszension bezeichnet und misst die Lage eines Sterns auf dem Himmelsäquator von einem Punkt aus, den man als Frühlingspunkt bezeichnet – der Punkt, an dem die Sonne am Tag des Frühlingsanfangs im März den Himmelsäquator kreuzt. Die Rektaszension wird in Stunden, Minuten und Sekunden gemessen.

Die Rektaszension ist sehr nützlich, wenn man durch ein Fernrohr blickt, denn sie verrät, wie lang man warten muss, bis aufgrund der Erdrotation ein Stern im Gesichtsfeld eines bestimmten Fernrohres verschwindet.

Winkel werden nicht nur zur Angabe von Örtern auf der Himmelskugel verwendet, sondern auch, um Größen und Entfernungen zu beschreiben. Sonne und Mond haben beispielsweise beide ungefähr einen Winkeldurchmesser von einem halben Grad – und weil dies die gleiche Größe ist, kommen totale Finsternisse zustande.

 

Zur Bestimmung von Entfernungen werden auch Winkel verwendet. Die Parallaxenmethode (Kapitel 5) zur Bestimmung der Entfernung eines Sterns erfordert die Bestimmung sehr kleiner Winkel.

 

Da Astronomen häufig sehr kleine Winkel in ihren Rechnungen verwenden, haben sie das Grad unterteilt. Statt Dezimalzahlen zu verwenden, teilen sie ein Grad in 60 Teile. Jedes dieser Teile bezeichnet man als eine Minute. Ja, richtig, genau so wie der sechzigste Teil einer Stunde – alles sehr verwirrend. Um die Verwirrung aber nicht komplett zu machen, werden solche Minuten als Bogenminuten bezeichnet und werden mit dem Symbol »1« bezeichnet.

 

Diese Bogenminuten sind für bestimmte Messungen immer noch nicht klein genug, und deshalb werden sie von den Astronomen wiederum in 60 Teile geteilt. Und raten Sie, wie diese Teile genannt werden – ja, genau: Sekunden, oder, um Verwechslungen zu vermeiden, Bogensekunden, und das Symbol dafür ist »“«.

 

Man kann also sagen, ein Kreis enthält 360 Grad oder 21.600 Bogenminuten oder 1.296.000 Bogensekunden.

Länge

Die Größe des Weltalls bringt es mit sich, dass das Meter keine sehr praktische Maßeinheit für die Ausdehnung mancher Dinge darstellt. Hier beschreiben wir ein paar andere Maßeinheiten, die von den Astronomen und Kosmologen verwendet werden.

Die Astronomische Einheit

Die Astronomische Einheit (AE) wird definiert als die mittlere Entfernung zwischen Erde und Sonne, und sie beträgt etwa 150 Millionen Kilometer. Die AE ist nützlich, wenn Entfernungen im Sonnensystem angegeben werden. Die Bahn des Jupiters hat beispielsweise einen mittleren Halbmesser von 5,2 AE.

Das Lichtjahr

Wenn man das Sonnensystem verlässt, muss man einen langen Weg bis zum nächsten interessanten Punkt zurücklegen. Der am nächsten bei der Sonne befindliche Stern, Proxima Centauri, ist wahnwitzige 40 Milliarden Kilometer entfernt. Wissenschaftler mögen nicht so viele Nullen ausschreiben, und deshalb verwenden sie ein anderes Entfernungsmaß: das Lichtjahr.

 

Das Lichtjahr ist die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, und dies ist eine gute Wahl. In SI-Einheiten beträgt die Lichtgeschwindigkeit 299.792.458 Meter in der Sekunde, und das Jahr hat 31.556.926 Sekunden. Wenn man die beiden Zahlen multipliziert, ergibt sich, dass das Licht 9.460.528.412.464.108 Meter im Jahr zurücklegt, oder etwa 9,5 Milliarden Kilometer. Damit ist Proxima Centauri etwas mehr als vier Lichtjahre von der Erde entfernt.

i0280.jpgDas Lichtjahr ist auch in anderer Hinsicht bequem. Wenn man, wie im Buch beschrieben, ins Universum schaut, sieht man es nicht so, wie es heute ist, sondern so, wie es in der Vergangenheit ausgesehen hat, weil nämlich das Licht entfernter Objekte eine bestimmte Zeit benötigt, um zur Erde zu gelangen. Aber welche Zeit? Nun, da das Lichtjahr definitionsgemäß die Strecke ist, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, ist die Zeit, die das Licht braucht, um ein Lichtjahr zu durchlaufen, genau ein Jahr. Wenn Wissenschaftler also ihr Teleskop auf Proxima Centauri richten, dann sehen sie das Licht, das die Oberfläche dieses Sterns vor etwas mehr als vier Jahren verlassen hat.

Das Parsek

Das Parsek gehört für manche zum Jargon in Sciencefiction-Filmen, aber wissen Sie, was es tatsächlich bedeutet? Der Name ist eine Verkürzung des Wortes Parallaxensekunde und hängt mit der Parallaxenmethode zusammen, mit deren Hilfe man die Entfernung eines Sternes bestimmt (wie in Kapitel 5 erläutert).

 

Die Parallaxe eines Sterns (der Winkel, unter dem der Stern sich scheinbar im Laufe eines halben Jahres am Himmel hin- und herbewegt) kann verwendet werden, um seine Entfernung von der Erde zu berechnen. Ein Parsek ist die Entfernung eines Sterns, der eine Parallaxe von einer Bogensekunde aufweist (siehe den vorhergehenden Abschnitt Winkel).

 

Wie groß ist diese Entfernung? Nun, sie beträgt 3,26 Lichtjahre oder etwa 31 Milliarden Kilometer. Das bedeutet, dass Proxima Centauri etwa 1,3 Parsek von der Erde entfernt ist.

Das Elektronvolt

Wenn man irgendeine Arbeit aus der Teilchenphysik liest, findet man sehr schnell den Begriff Elektronvolt (oder abgekürzt eV). Diese Energieeinheit ist besonders gut für das Gebiet der Teilchenphysik geeignet. Elektrische Ladungen benötigen Energie, um sich in elektrischen Feldern zu bewegen, und das Elektronvolt stellt die Energiemenge dar, die ein Elektron braucht, um sich durch eine Spannungsdifferenz von 1 Volt zu bewegen. Ein Elektronvolt ist gleich 1,602 × 10 – 19 Joule.

 

Teilchenphysiker können das Elektronvolt noch auf eine andere Weise benutzen – sie messen damit die Masse. Wie das? Nun, wir wissen seit Einstein, dass Masse und Energie austauschbare Größen sind, die durch die Gleichung E=mc2 verknüpft sind, die wir in m=E/c2 umschreiben können. Das bedeutet, dass wir eine Masse in eV/c2 ausdrücken können. Ein Elektron hat beispielsweise eine Masse von 0,511 MeV/c2 (zumindest dann, wenn es sich nicht bewegt). Wenn man MeV (Mega-Elektronvolt) oder TeV (Tera-Elektronvolt) verwendet, ist dies nützlich, weil man in einem Teilchenbeschleuniger die Energie kennt, mit der die Teilchen aufeinanderprallen. Man kennt damit sogleich die Masse der Teilchen, die man damit wahrscheinlich erzeugen kann.

Wichtige Gleichungen

Die folgenden Gleichungen sind diejenigen, die man kennen sollte, wenn man ein Amateur-kosmologe werden möchte.

Das Dritte Keplersche Gesetz

In Kapitel 3 erklären wir das Dritte Keplersche Gesetz, das die Umlaufzeit eines Planeten um die Sonne mit der Größe seiner Bahn in Beziehung setzt. Als mathematische Formel kann man das so schreiben:

P 2 = ka3

wobei P die Umlaufzeit des Planeten um die Sonne in Jahren ist und a eine Länge ist, die man als große Halbachse bezeichnet. Weil Planeten sich in Ellipsenbahnen um die Sonne bewegen (siehe Kapitel 3), ist der Durchmesser der Bahn nicht in allen Richtungen der gleiche. Die große Halbachse ist die Hälfte des Durchmessers der Bahn am von der Sonne am weitesten entfernten Punkt der Ellipse.

i0281.jpgKeplers große Entdeckung war, dass die Konstante k in dieser Gleichung für alle Planeten des Sonnensystems den gleichen Wert hat. Er wusste nicht, warum das so ist, aber Newton erklärte dieses Phänomen durch sein Gravitationsgesetz.

Newtons Gravitationsgesetz

Die Gleichung für Newtons Gravitationsgesetz beschreibt die Anziehungskraft, die zwischen zwei Körpern der Massen m1 und m2 herrscht, die sich in einer Entfernung r voneinander befinden:

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wobei F die Kraft und G eine Konstante ist, die den Wert 6,67 × 10 – 11 m3 kg – 1 s – 2 hat und die als Gravitationskonstante bezeichnet wird.

i0283.jpgDie Gleichung zeigt, dass die Anziehungskraft gemäß einem 1-durch-r-Quadrat-Gesetz (oder umgekehrt-quadratischen Gesetz) wirkt: Wenn man die Entfernung zweier Objekte verdoppelt, sinkt die Anziehungskraft auf ein Viertel ihres vorherigen Wertes. Die Gleichung zeigt auch, dass die beiden betrachteten Körper gegenseitig die gleiche Kraft aufeinander ausüben (wenn man die Körper miteinander vertauscht, bleibt die Anziehungskraft die gleiche). Deshalb üben Sonne und Erde die gleiche Kraft aufeinander aus, während sie sich um ihren gemeinsamen Schwerpunkt bewegen.

Die allerberühmteste Gleichung

Einsteins E = mc2 ist unzweifelhaft die bekannteste Gleichung, abgesehen vielleicht von 1 + 1 = 2, aber was bedeutet E = mc2 eigentlich?

 

E steht für Energie, m für die Masse eines Körpers (in Ruhe), und c ist die Lichtgeschwindigkeit im leeren Raum. Man beachte den Ausdruck »in Ruhe«. Einstein hat auch herausgefunden, dass die Masse eines Körpers zunimmt, wenn seine Geschwindigkeit größer wird, und dieses Phänomen hat zur Folge, dass sich nichts schneller als das Licht bewegen kann.

 

Wenn man die Bedeutung von E = mc2 erfassen möchte, sollte man sich ein Elektron vorstellen, das eine Masse von 9,1 × 10 – 31 kg im Ruhezustand besitzt. Wenn man diese Zahl in Einsteins Gleichung einsetzt, erhält man 8,2 × 10 – 14 kg m2 s – 2.

i0284.jpgDiese unhandliche wissenschaftliche Maßeinheit wird gewöhnlich mit einem anderen Namen bezeichnet, dem Joule (abgekürzt J). Ein Joule ist keine große Energiemenge, wenn man sich vorstellt, dass man viele tausend Joule braucht, um einen Wasserkessel zum Kochen zu bringen.

Die Gleichung besagt Folgendes: Wenn das Elektron in der Lage wäre, sich selbst in Energie zu verwandeln, wäre dies die Energiemenge, die dabei freigesetzt würde.

Das Hubblesche Gesetz

Das Hubblesche Gesetz ist die Grundlage der modernen Kosmologie:

v = H0D

wobei v die Radialgeschwindigkeit einer entfernten Galaxie bezeichnet, D die Entfernung der Galaxie und H0 die Hubble-Konstante, die heutzutage zu 71 Kilometer pro Sekunde pro Megaparsek angenommen wird.

 

Diese Gleichung zeigt, dass die von der Erde aus am weitesten entfernten Galaxien sich am schnellsten von uns wegbewegen, wobei der Raum selbst expandiert. Die Gleichung deutet auch darauf hin, dass es eine Zeit in der tiefsten Vergangenheit gab, zu der alle Galaxien ganz eng beisammen waren – der Zeitpunkt, an dem der Urknall stattfand (siehe Kapitel 6).

Die Entwicklung des Universums.
Von oben nach unten: Von WMAP beobachtete
Temperaturfluktuationen werden zu Regionen
höherer Dichte, aus denen sich Sterne bilden.
Die filamentare Struktur entwickelt sich, bis
wir das heutige Universum vor uns sehen.

©

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Verteilung normaler und Dunkler Materie
im Universum (normale Materie ist rot
dargestellt, Dunkle Materie ist blau).

© NASA, ESA and Richard Massey California Institute of Technology

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Ein Blick in die Vergangenheit
vor zwölf Milliarden Jahren: die
weitreichendste Aufnahme des Hubble-
Weltraumteleskops.

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Der Blick ins Universum mit
dem WMAP-Satelliten. Das Bild
zeigt 1,3 Milliarden Jahre alte
Temperaturfluktuationen, die den
Vorstufen von Galaxien entsprechen.

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Ein Strom von Elementarteilchen dringt
aus der Gegend des supermassereichen
Schwarzen Lochs im Zentrum der

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Spiralgalaxien in Kollision, aufgenommen mit dem Hubble-Weltraumteleskop

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Die an den Himmel projizierte großräumige Struktur des Universums; in der Mitte ist die Milchstraße zu sehen.

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Eine Kinderstube von Sternen in der Milchstraße

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Der Überrest der Supernova,
die 1572 von Tycho Brahe beobachtet
wurde, aufgenommen mit dem
chandra-Röntgen-Observatorium

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Das erste Bild eines Planeten außerhalb des Sonnen.Systems

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Wir erforschen das frühe Universum

In diesem Kapitel

Nichts ist menschlicher, als über seine Herkunft nachzudenken.

 

Schauen wir uns ein gewöhnliches dreijähriges Kind an: Es mag nichts lieber, als seine Eltern mit der Frage in Verlegenheit zu bringen, wo es hergekommen ist (und warum die Frau da drüben so ein komisches Kleid anhat).

 

In heranwachsenden Kindern sitzt das Sinnieren über die Geheimnisse des Universums ebenfalls tief. Wer kennt nicht das alte Kinderlied »Weißt du, wie viel Sternlein stehen« mit der einfachen, aber tiefsinnigen Zeile »Gott der Herr hat sie gezählet, dass ihm ja auch keines fehlet.« Und die ersten kindlichen Malversuche zeigen oft Bilder von Sonne und Mond – die natürlich besonders freundlich aussehen, wenn lächelnde Gesichter hineingemalt werden.

 

Es überrascht deshalb wenig, wenn die knapp Zehnjährigen nicht nur über technische Schaubilder zur menschlichen Fortpflanzung kichern, sondern gleichzeitig auch ernsthaftere Fragen über den Himmel stellen: Warum ist er blau? Warum scheinen die Sterne nur in der Nacht? Sind Sonne und Mond immer dieselben oder erscheint jeden Tag eine neue Himmelsleuchte? Filme wie ET und Star Wars tragen dazu bei, die Neugier noch mehr anzuregen.

 

Diese Neugier geht nicht mit der Jugend zu Ende. Auch im Erwachsenenalter denkt man plötzlich in einer besonders klaren dunklen Nacht über die Vielzahl der Sterne nach oder ist durch eine besonders schöne Mondsichel fasziniert. Wenn Ihnen so etwas bekannt vorkommt, dann ist Der Ursprung des Universums für Dummies gewiss ein Buch für Sie.

Ansichten ändern sich – wissenschaftlich gesprochen

Stellen Sie sich einen Augenblick vor, Sie säßen als Schüler in den ersten Jahren des 20. Jahrhunderts in einer Klasse. Zu dieser Zeit war der berühmteste Wissenschaftler der Welt wahrscheinlich noch Sir Isaac Newton (in Kapitel 3 werden Sie mehr über Newton erfahren). Es mussten noch einige Jahre vergehen, bis der Name Albert Einstein jedem Schulkind spielend von den Lippen ging, und das berühmte Foto eines strähnigen grauhaarigen Wissenschaftlers eines der bekanntesten Bilder der Welt wurde (in Kapitel 4 werden Sie mehr über Einstein erfahren).

Im frühen 20. Jahrhundert wurden im Physikunterricht den Schülern und Studenten folgende Fakten beigebracht:

Wenn diese Themen nicht allzu große Anforderungen an das Verständnis stellten, sah die Situation ein paar Jahre nach dem Ersten Weltkrieg ganz anders aus. Der wissenschaftliche Lehrplan wurde erweitert, und die Studenten wurden mit der Gleichung bekanntgemacht, die die berühmteste Gleichung aller Zeiten werden sollte – E = mc2. (Eltern dieser Schüler, die mit Newtons Bewegungsgleichungen in der Schule aufgewachsen waren, fanden sich plötzlich beim Helfen bei den Hausaufgaben auf unsicherem Gelände!)

i0006.jpgDas Fazit? Unsere wissenschaftliche Erziehung ist einem ständigen Wandel unterworfen, weil sich die Wissenschaft selbst ständig ändert.

200 Jahre lang dachte jedermann, dass Newtons Vorstellungen über das Universum niemals verbessert werden könnten, und fast alle Wissenschaftler waren der Meinung, dass seine Gleichungen das Universum in seiner Gesamtheit beschreiben. Aber dann tauchte Einstein mit seinen seltsamen Gedanken zur Relativität auf und seiner Idee, dass Masse und Energie vertauscht werden könnten. Alles änderte sich. Aber diese Änderung war kein plötzlicher Prozess. Einstein veröffentlichte seine Spezielle Relativitätstheorie im Jahre 1905, aber es vergingen Jahre, bis die Wissenschaftler sie allgemein akzeptierten.

 

Die Wissenschaft beruht auf dem Konsens. Eine allgemein anerkannte Ansicht, wie Dinge im Universum aufgebaut sind, mag jahrelang existieren – sogar Jahrhunderte – und dann kommt jemand und sagt, »Aha. Und was haltet ihr von dieser neuen Idee?« Diese neue Idee mag anfangs abgelehnt werden, aber wenn andere Wissenschaftler die Korrektheit dieser neuen Vorstellungen bestätigen, kann sich der Konsens ändern. Aus diesem Grunde glaubt man heute, dass Einsteins Theorien das Universum besser beschreiben als diejenigen von Newton.

i0007.jpgDie Wissenschaft ist niemals ein abgeschlossener Vorgang. Während Sie dieses Buch lesen, sitzt vielleicht ein Wissenschaftler irgendwo und hat ein Aha-Erlebnis, vielleicht erkennt er, dass Einsteins Theorien nicht alles erklären. Vielleicht fängt er oder sie an einzusehen, dass die augenblicklichen Theorien über den Ursprung des Universums, wie sie in diesem Buch beschrieben sind, einer Verbesserung bedürfen. Dieser Wissenschaftler mag dann Mühe haben, die Tausende anderer Wissenschaftler und Studenten zu überzeugen, die vollkommen an Einstein glauben. Wenn die neue Theorie jedoch ihre Vorzüge hat, wird sich ein neuer Konsens einstellen. Wenn dies der Fall sein sollte, dann werden die Schulkinder von morgen etwas anderes lernen. Und Sie werden als Elternteil Schwierigkeiten haben, die Hausaufgaben Ihrer Kinder zu verstehen.

Wissenschaft und Religion im Gegensatz

Wissenschaft ist eine Sache – Religion ist ganz gewiss eine andere.

In den meisten Gesellschaften werden den Kindern religiöse Gedanken beigebracht. Manchmal stehen religiöse und wissenschaftliche Ideen in direktem Gegensatz, manchmal nicht.

Heranwachsende Kinder – und nicht zu vergessen, wissbegierige Erwachsene – haben oft die Schwierigkeit, herauszufinden, wer recht hat: die Wissenschaft oder die Religion.

i0008.jpgIn gewisser Weise sind Leute, die Wissenschaft und Religion lehren, gleich beschaffen. Beide verlangen von ihren Anhängern, spektakuläre Glaubenssprünge zu vollführen. Man verlangt von Christen, dass sie an die Wundertaten von Jesus glauben, während von den Anhängern der Wissenschaft verlangt wird, an die Bewegung der Erde um die Sonne zu glauben, obwohl augenscheinlich das Gegenteil der Fall ist. Sowohl Prediger wie Wissenschaftler behaupten, dass es Beweise für ihre eigene Sicht der Dinge in dieser Welt gibt.

An diesem Punkt werden Sie denken: »He, Augenblick. Habe ich aus Versehen Religionen der Welt für Dummies oder Philosophie für Dummies in die Hand genommen?« Ein rascher Blick auf den Buchdeckel zeigt, dass dem nicht so ist, aber es ist nicht möglich, über den Ursprung des Universums zu reden, ohne zumindest einen kurzen Blick in den Bereich der Religion und Philosophie geworfen zu haben.

 

Wenn Sie nach Mitternacht ein Studentenwohnheim betreten und dem Duft starken Kaffees folgen, werden Sie sehr bald in genau solche Diskussionen verwickelt sein. Wenn es ein unveränderliches Gesetz im Kosmos gibt, dann ist es nicht dasjenige, dass alles von der Schwerkraft beeinflusst wird oder dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann – es ist das Gesetz, dass junge Studenten sich darüber Gedanken machen, wie alles begann, genau so, wie sie es auf einem niedrigeren Niveau taten, als sie gerade drei Jahre alt waren.

 

In diesem Buch versuchen wir, einige dieser schwierigen Fragen zu beantworten. (Unglücklicherweise ist die Antwort der Wissenschaftler in vielen Fällen, dass wir das immer noch nicht wirklich wissen.) Wir haben die folgenden Kapitel aber nicht nur für philosophierende Studenten geschrieben. Wir schreiben sie, um alle anzusprechen, die sich jemals Gedanken darüber gemacht haben, woher alles gekommen ist.

Wir definieren das Wort Kosmologie

Kosmologie beschreibt das Studium der Entwicklung des Universums – ein kleines Wort, ein großes Arbeitsgebiet! Sie versucht, Antworten auf die Fragen zu geben, wie sich das Universum zum heutigen Zustand entwickelt hat und wie es sich weiter entwickeln wird.

 

Die große Herausforderung der Kosmologie und der Astronomie – sie beschäftigt sich mit dem Studium all der Dinge draußen im Weltraum – ist, dass sie beide nicht mit den meisten anderen Wissenschaften verglichen werden können. In der Chemie mischen wir beispielsweise zwei Chemikalien in einem Reagenzglas, das wir in Händen halten. In der Biologie können wir einen Käfer unters Mikroskop legen und sezieren.

 

Kosmologie und Astronomie sind anders. Die Menschheit ist bislang nur bis zum Mond vorgestoßen – eine Entfernung von weniger als 400.000 Kilometern. Obwohl das wie eine weite Strecke erscheint, ist es im Vergleich zur Größe des Universums ein Nichts. Der nächste Stern, unsere Sonne, ist 150 Millionen Kilometer entfernt – 360 Mal weiter, als je ein Mensch gereist ist. Wie kann die Menschheit jemals hoffen, das Universum zu verstehen, wenn sie so wenig davon erforscht hat? Die Antwort heißt: durch die Kosmologie.

i0009.jpgDas Wort Kosmologie hat griechische Wurzeln – kósmos bedeutet Welt oder Universum und logos Wort oder Erforschung. Das Wort kam jedoch erst lange Zeit nach den alten Griechen in Gebrauch. Es wurde wohl zuerst im 18. Jahrhundert verwendet, als die Naturphilosophen (wie manche Wissenschaftler damals bezeichnet wurden) Newtons Weltbild untersuchten und feststellten, dass es die Sicht des Menschen auf das Universum völlig veränderte.

i0010.jpgKosmologie und Astronomie sind eng verwandt, aber während die Astronomen alles im Universum untersuchen (Sterne, Galaxien und so weiter), studieren die Kosmologen das Universum als Ganzes und darüber hinaus seine Entwicklung. Aus diesem Grunde müssen die Kosmologen über Astronomie und Physik Bescheid wissen – sowohl die traditionelle Physik wie die moderneren Gebiete, beispielsweise die Quantenmechanik.

Also, wie wird man ein Kosmologe? Jeder, der über den Ursprung des Universums nachdenkt, ist ein Amateur-Kosmologe. Und der Zweck dieses Buches besteht darin, einige dieser schwierigen Fragen zu beantworten.

 

Wenn es schon eine Weile her ist, seit Sie sich mit der Wissenschaft beschäftigt haben, wäre es nicht schlecht, wenn Sie einen Blick in den Anhang werfen. Darin werden die speziellen Methoden behandelt, mit denen die Wissenschaftler Zahlen schreiben, und die Maßeinheiten, die manchmal schwer zu verstehen sind.

Der Blick zum Anfang des Universums

Die Kenntnis vom Ursprung des Universums kann sehr hilfreich sein, wenn man verstehen will, warum das Universum so ist, wie es ist.

 

Auf welche Art können die Kosmologen den Anfang des Universums sehen? Die kurze Antwort auf diese Frage ist: Sie können es gar nicht – nicht direkt jedenfalls. Tut uns leid. Wenn Sie eine einfache, definitive Antwort erwartet haben – wie Douglas Adams’ Behauptung in Per Anhalter durch die Galaxis, dass die Antwort auf alle Fragen des Universums 42 ist – werden Sie von der Kosmologie enttäuscht sein.

 

Aber das soll nicht besagen, dass es keine Möglichkeit gibt, etwas über die Vergangenheit des Universums herauszufinden. Das liegt daran, dass »Zeit« kein so einfacher Begriff ist, wie die Uhr an der Wand es uns suggerieren möchte. Diese Fremdartigkeit hilft sogar bei unserem Studium der Kosmologie.

 

Wenn Sie sich beispielsweise am Nachthimmel umschauen, sehen Sie das Universum in verschiedenen Stadien seiner Entwicklung. Wenn Sie eine Galaxie beobachten, die so weit entfernt ist, dass ihr Licht zwölf Milliarden Jahre alt ist, sehen Sie in Wirklichkeit eine Galaxie, die als eine der ersten entstanden ist. Wenn Kosmologen herausfinden, wie sich diese frühe Galaxie gebildet hat, wissen sie, wie das Universum kurz vor der Bildung dieser Galaxie beschaffen war. Wenn Wissenschaftler derartige Schritte immer weiter in die Vergangenheit unternehmen, kommen sie dem Anfangspunkt des Universums immer näher. Schauen Sie sich den grauen Kasten Wann ist jetzt? an, um mehr atemberaubende Informationen über die Natur der Zeit zu erhalten.

Wir behandeln den Luxuslimousinen-Effekt

Bloß immer weiter in den Weltraum zu schauen, um die Vergangenheit zu erkennen, reicht nicht aus, um den Ursprung des Universums zu ergründen. Selbst mit immer größeren Teleskopen, die es den Kosmologen ermöglichen, immer weiter in Raum und Zeit zu blicken, erreichen die Wissenschaftler einen Punkt, über den hinaus sie nicht schauen können.

 

Zu einem lange zurückliegenden Zeitpunkt bestand das Universum nicht aus chemischen Elementen wie Wasserstoff- und Helium-Gas, so wie das heute der Fall ist. Das Universum bestand damals aus kleineren Dingen – einzelnen Teilchen wie Elektronen, Protonen und Neutronen. (In Kapitel 9 findet sich mehr darüber.) Zu dieser frühen Zeit schwebten die Teilchen frei herum und emittierten und absorbierten Strahlung.

 

Diese Ära, von der die Wissenschaftler annehmen, dass sie 380.000 Jahre nach dem Urknall zu Ende ging, wirkt wie das dunkel getönte Glas einer Luxuslimousine. Wie gewaltig auch die Teleskope sind, die die Menschen erfinden, den Wissenschaftlern wird es nie gelingen, durch dieses Rauchglasfenster zu sehen.

 

Diese scheinbare Barriere hat die Wissenschaftler jedoch nicht davon abgehalten, das Problem weiter zu untersuchen. In der Tat haben die Kosmologen ein schwaches Leuchten entdeckt, das aus diesem Rauchglas dringt und das als der kosmische Mikrowellenhintergrund bezeichnet wird (siehe Kapitel 6). Durch die Untersuchung dieses Leuchtens, das im Laufe der Jahrmilliarden auf eine Temperatur von wenigen Graden über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt ist, hoffen die Kosmologen, eine Vorstellung dessen zu bekommen, was sich im Innern dieses Bereichs abgespielt hat.

 

Wie jeder, der schon einmal versucht hat, durch die Fenster einer Luxuslimousine zu spähen, Ihnen sagen wird, ist es fast unmöglich, festzustellen, was sich im Innern befindet. Aber was Wissenschaftler bislang über das Leuchten hinter dem Rauchglas des Universums herausgefunden haben, ist ein starker Hinweis darauf, dass das Universum durch etwas entstand, was man als den Urknall bezeichnet. In Kapitel 6 werden wir diesen erstaunlichen Prozess genauer betrachten, durch den ein unendlich kleiner Punkt sich in das heutige Universum ausgedehnt hat.

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Wann ist jetzt?

Eines der großen Probleme der Kosmologie ist die Definition des Jetzt. Jetzt ist eine sehr subjektive Vorstellung.

 

Stellen Sie sich vor, eine Freundin stände auf der anderen Seite eines großen Feldes, und sie hält einen großen roten Ballon. Sie haben mit ihr abgesprochen, dass beim Jetzt, genau zur Mittagszeit, sie den Ballon platzen lässt.

 

Definieren Sie den Augenblick des Jetzt als

  • cochegrise.jpg  den Zeitpunkt, wenn Ihre synchronisierte Uhr zwölf Uhr Mittag anzeigt?
  • cochegrise.jpg  den Zeitpunkt, wenn Sie sehen, dass Ihre Freundin den Ballon platzen lässt?
  • cochegrise.jpg  den Zeitpunkt, zu dem Sie das Platzen des Ballons hören?

Ihre Freundin wird darauf bestehen, dass alle drei Dinge zur gleichen Zeit passieren, aber Ihre Sinne sagen Ihnen, dass zuerst Ihre Uhr Mittag anzeigt, einen winzigen Sekundenbruchteil später sehen Sie den Ballon platzen, und erst Sekunden später hören Sie den Knall.

 

Im Universum ist es genauso. Wenn Wissenschaftler den Himmel erforschen, sehen sie nur eine erdgebundene Version des Himmels. Wenn irgendjemand den Ballon auf der Oberfläche eines Planeten platzen ließe, der den (in galaktischen Maßstäben) nahen Stern Proxima Centauri umkreist, und Sie würden das Platzen des Ballons mit einem Teleskop beobachten wollen, würde es mehr als vier Jahre dauern, bis das Licht von Proxima Centauri die Erde erreicht.

 

Die entferntesten Galaxien im Universum haben ihr Licht vor etwa zwölf Milliarden Jahren abgestrahlt. In der dazwischenliegenden Zeit kann eine oder mehrere dieser weit entfernten Galaxien explodiert sein. Außerirdische Lebewesen, die einen Planeten in einer dieser entfernten Galaxien bewohnen, würden sicherlich Widerspruch gegen ein bezüglich der Erde definiertes Jetzt einlegen.

Wir fangen ganz von vorne an

Wenn Menschen nicht durch das Rauchglas hindurch den Urknall anschauen können, welche Aussicht gibt es dann, dass die Kosmologen den Ursprung des Universums verstehen können? Glücklicherweise haben die Wissenschaftler andere Wege gefunden, den Ursprung des Universums zu erforschen.

 

Sie werden vielleicht schon einmal von Orten wie CERN bei Genf in der Schweiz oder Fermilab bei Chicago, Illinois gehört oder gelesen haben – faszinierende unterirdische Laboratorien mit Maschinen und Geräten, deren Betrieb unwahrscheinlich teuer ist. Diese und andere Laboratorien liefern eine Alternative zu dem Versuch, durch das Rauchglas zu schauen. Die Begründung dieser kostspieligen Unternehmungen ist die folgende: Wenn die Wissenschaftler schon nicht hinter das Rauchglas sehen können, warum sollten sie nicht versuchen, die Bedingungen wiederherzustellen, die vermutlich während der ersten Augenblicke des Universums geherrscht haben?

 

Die Wissenschaftler bei CERN, Fermilab und in anderen Forschungslabors haben bislang herausgefunden, dass das ganz frühe Universum aus einer Riesenmenge von herumschwirrenden Teilchen bestand. Alle hatten eine unglaublich hohe Energie oder Temperatur. Wenn man in Teilchenbeschleunigern Teilchen wie Elektronen und Protonen (zwei der elementaren Bausteine des Universums) zusammenprallen lässt und beobachtet, was passiert, kann man sich ein Bild des sehr frühen Universums machen.

i0012.jpgAufgrund ihrer Untersuchungen glauben die Wissenschaftler, dass sich damals etwas sehr Seltsames abgespielt hat. Nach der Kollision zweier Autos findet man immer wieder zwei Autos – vielleicht ziemlich lädiert, aber immerhin als Autos wiederzuerkennen. Wenn jedoch Elementarteilchen zusammenprallen, findet man danach nicht mehr die gleichen Dinge. Man kann mit zwei Protonen anfangen und hat am Ende einen riesigen Schauer exotischer Teilchen, die durch die Energie der Kollision entstanden sind.

i0013.jpgEinsteins Arbeit (siehe Kapitel 4) ist wesentlich, um diesen scheinbaren Widerspruch zu verstehen. Genau genommen hilft Einsteins Erkenntnis, dass Masse und Energie vertauschbar sind, bei der Erklärung, warum Elementarteilchen sich bei der Kollision in exotischere Teilchen verwandeln können. Wissenschaftler an Orten wie CERN und Fermilab untersuchen diese exotischen Teilchen und versuchen herauszufinden, was hinter diesem Rauchglas des frühen Universums passiert ist.

Kosmologie ist nicht nur etwas für Wissenschaftler, die Zugang zu den mächtigsten (und teuersten) Teleskopen und Teilchenbeschleunigern haben. Jeder mit genügend Interesse kann mal Furore machen. Beispielsweise haben drei Studenten der North Carolina School for Science and Mathematics öffentlich zugängliche Daten des Chandra-Röntgenteleskops der NASA analysiert und einen Pulsar entdeckt, einen rasch rotierenden Stern, der ein charakteristisches Signal abstrahlt. Wer weiß, vielleicht ist dieses Buch Ihr erster Schritt zur Entdeckung einer neuen Sache oder zur Erklärung dessen, was bisher unerklärlich schien?

Warum die Jetztzeit so aufregend ist

Obwohl Wissenschaftler zum Schluss gekommen sein mögen, dass das »Jetzt« ein veraltetes Konzept ist, ist die Zeit, in der wir leben, eine für Amateur- wie für professionelle Kosmologen sehr aufregende Zeit. Die moderne Kosmologie steckt in ihren Kinderschuhen:

In den nächsten Jahrzehnten werden die Wissenschaftler sicherlich noch mehr über das Universum, in dem wir leben, herausfinden, und wie es entstand. Dass dies geschehen wird, dafür sorgt schon die menschliche Neugierde.

 

Wenn Sie diese Neugierde mit uns teilen wollen, laden wir Sie jetzt zu einer Achterbahnfahrt durch den Kosmos ein. Bitte einsteigen!